新桥硫铁矿“三下”资源露天转地下安全开采技术研究.pdf

中图分类号T D 8 7 l U D C 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 靼 密级垒珏 新桥硫铁矿“三下”资源露天转地下 安全开采技术研究 A s t u d yo ns a f em i n i n go ft r a n s i t i o nf r o mo p e np i tt ou n d e r g r o u n d m i n i n gf o r “t h r e eu n d e r ”r e s o u r c e si nX i n g q i a oP y r i t eM i n e 作者姓名柯愈贤 学科专业采矿工程 研究方向充填理论与技术 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师王新民教授 吾I J 指导教师 论文答辩日期翌堡』兰 答辩委员会主席釜堑三争／ 中南大学 2 0 13 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名萃李垒翼 日期业1 3 年舅也日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名茎豆盒塑导师签名望≤蛾期皇竺坚年』月丝日 新桥硫铁矿“三下”资源露天转地下安全开采技术研究 摘要新桥硫铁矿“三下”资源露天转地下开采技术条件复杂，制约 因素多，为了实现露天转地下开采的平稳过渡，确保地表建构筑物和 水体安全，最大限度地回收地下矿产资源，实现矿山可持续发展，本 文对“三下”资源露天转地下开采的外部环境影响因素、安全境界项柱 厚度、采矿方案以及开采诱发的地表沉陷进行了研究，主要研究成果 如下 1 境界项柱考虑了在露天坑底浇筑钢筋砼的复合境界顶柱和 露天坑底不浇筑钢筋砼的原岩 矿体 境界顶柱两个方案，通过理论 分析、数值模拟等方法，推荐“三下”资源露天转地下开采境界顶采用 2 4 m 原岩境界顶柱 ．1 8 0 m 水平以上矿体 ； 2 本着循序渐进、由易到难的原则，推荐“三下”资源露天转 地下开采在矿体倾向方向分两期建设，一期开采．1 5 6 m ～．3 8 0 m 水平问 矿体，二期开采．3 8 0 m 水平以下矿体，中段高度4 0 m 、5 0 m 、6 0 m 不 等，一期拟．2 3 0 m 、．2 7 0 m 、．3 3 0 m 和．3 8 0 m 四个中段，．1 8 0 m 水平为 回风水平，二期设．4 3 0 m 、．4 8 0 m 和．5 3 0 m 三个中段，首采中段为一3 8 0 m 中段； 3 通过详细的技术经济比较，推荐“三下”资源露天转地下开 采采用上向水平分层充填法，采场结构参数为矿柱l O m 、矿房1 4 m ， 两步骤回采，设计的采矿方法的回采率为8 4 ％、损失率为5 ％、采场 生产能力为3 3 0 t ／d ～3 8 0 t ／d ； 4 应用概率积分法和数值模拟法对“三下”资源露天转地下开 采引发的地表变形进行预计，预计开采诱发的地表最大倾斜i 、曲率 K 和水平变形￡分别为1 ．4 4 0 m m ／m 、土O ．0 1 3 m m ／m 2 、士0 ．5 0 3 m m ／m ，未 超过建构筑物最高保护等级I 级的允许变形值 ／- - 2 ．5 m m ／m ，K 0 ．0 5 m m ／m 2 ，e 1 ．5 m m ／m ，地表建构筑物处于安全状态； 5 考虑到“三下”资源开采区域内水文地质条件复杂，为了确 保露天转地下的安全开采和地表建构筑的安全，提出了加强防治水、 提高接项充填质量、优化采矿工艺和建立岩移检测系统等控制地表岩 移与变形的技术措施。 本文包含图6 0 张，表2 6 个，参考文献9 l 篇。 关键词“三下”开采，露天转地下开采，境界项柱，参数优化，地表 移动与变形 分类号T D 8 7 1 I I I A s t u d yo ns a f em i n i n go f t r a n s i t i o nf r o mo p e np i tt ou n d e r g r o u n d m i n 吨f o r “t h r e eu n d e r ’r e s o u r c e si nX i n g q i a oP y r i t eM i n e A b s t r a c t T h et r a n s i t i o nf r o mo p e np i tt ou n d e r g r o u n dm i n i n gf o r ‘‘t h r e e u n d e r ’r e s o u r c e si nX i n g q i a oP y r i t eM i n eh a sc o m p l i c a t e dm i n i n g c o n d i t i o n sa n dm a n yr e s t r i c t i n gf a c t o r s ．I nt h i sp a p e r , t h ee x t e r n a l e n v i r o n m e n ti n f l u e n c i n gf a c t o r s ，s e c u r i t yb o u n d a r yp i l l a rt h i c k n e s s ， m i n i n gm e t h o da n dm i n i n gi n d u c e ds u r f a c es u b s i d e n c ew e r es t u d i e d ，i n o r d e rt oa c h i e v eas m o o t ht r a n s i t i o n ，as a f e t yo fs u r f a c es t r u c t u r e sa n d w a t e r , am a x i m i z er e c o v e r yo fu n d e r g r o u n dm i n e r a lr e s o u r c e s ，a n d a s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fm i n e ．T h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 T h eb o u n d a r yp i l l a r c o n s i d e r st w os c h e m e ，a c o m p o s i t e b o u n d a r yp i l l a rw i t hp o u r i n gr e i n f o r c e dc o n c r e t ea tb o t t o mo f t h eo p e n p i t a n dao r i g i n a lr o c k o r e b o d y b o u n d a r yp i l l a rw i t h o u tp o u r i n g r e i n f o r c e dc o n c r e t ea tb o t t o mo ft h eo p e np i t ．T h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，2 4 mo r i g i n a lr o c kb o u n d a r y p i l l a r o r e b o d ya b o v e 一18 0 m w a sr e c o m m e n d e df o r “t h r e e u n d e r ’ r e s o u r c e sm i n i n g ． 2 B a s e do nt h ep r i n c i p l eg r a d u a la n do r d e r l y ，f r o me a s y t od i f f i c u l t ， r e c o m m e n d i n g ‘‘t h r e eu n d e r ”r e s o u r c e sm i n i n gc o n s t r u c t e di nt w op h a s e s i nt h ed i r e c t i o no ft h eo r e b o d yt e n d e n c y ，f i s tm i n i n gt h eo r e b o d yb e t w e e n ．15 6 ma n d 一3 8 0 m ，s e c o n dt h eo r e b o d yb e l o w 一3 8 0 m ．T h el e v e lh e i g h ti s 4 0 m ，o r5 0 m ，o r6 0 m ，f i s r ts t a g em i n i n gs e t2 3 0 m ，一2 7 0 m ，一3 3 0 ma n d - 3 8 0 mf o u rl e v e l s ，s e c o n ds t a g em i n i n gs e t 一4 3 0 m ，一4 8 0 ma n d 一5 3 0 m t h r e el e v e l s ，a n dt h ef i r s tm i n i n gl e v e li s - 3 8 0 m ． 3 T h r o u g hd e t a i l e dt e c h n i c a la n de c o n o m i cc o m p a r i s o n ，u p w a r d h o r i z o n t a ls l i c es t o p i n ga n db a c k f i l l i n gm e t h o dw a sr e c o m m e n d e df o r ‘‘t h r e eu n d e r ”r e s o u r c e sm i n i n g ．S t o p es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sf o rt h ep i l l a r i slO m ，o r er o o mi s14 m ，t w os t e p so fe x t r a c t i o n ．T h i sm i n i n gm e t h o d ’S d e s i g n e dr e c o v e r y r a t ei s8 4 ％，l o s sr a t ew a s5 ％，s t o p ep r o d u c t i o n c a p a c i t yi S3 3 0 t ／d ～3 8 0 t ／d ． V 4 T h e “t h r e eu n d e r ”r e s o u r c e sm i n i n gi n d u c e ds u r f a c es u b s i d e n c e w a sp r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，a n d t h em a x i m u mt i l t f ，c u r v a t u r e 固a n dl e v e ld e f o r m a t i o n E a r e 1 ．4 4 0 m m ／m ，0 ．0 1 3 m m ／m 2 ，0 ．5 0 3 m m ／m ，w h i c h l e s st h a nt h e a l l o w e dd e f o r m a t i o n ／- - 2 ．5 m m ／m ， s t r u c t u r e s ’h i g h e s tp r o t e c t i o nl e v e l S t a t e ． K 0 ．0 5 m m ／m 2 ．萨1 ．5 r a m ／m o f I ，t h es u r f a c es t r u c t u r e si nas a f e 5 C o n s i d e r i n gt h ec o m p l i c a t e dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sw i t h i n ‘ t h r e eu n d e r ’r e s o u r c e sm i n i n ga r e a ，a n dt oe n s u r et h es a f e t yo fm i n i n g s u r f a c es t r u c t u r e s ，t h et e c h n i c a lm e a s u r e ss u c ha ss t r e n g t h e np r e v e n t i o n a n dc o n t r o lo f w a t e r , o p t i m i z i n gm i n i n gt e c h n o l o g y ，i m p r o v et h eq u a l i t y o f j o i n tt o pf i l l i n g ，t h ee s t a b l i s h m e n to fr o c km o v e m e n td e t e c t i o ns y s t e m w e r e p u t f o r w a r d e dt oc o n t r o lt h es u r f a c er o c km o v e m e n ta n d d e f o r m a t i o n ． T h i sp a p e rc o n t a i n s6 0f i g u r e s ，2 6t a b l e s ，91r e f e r e n c e s ． K e y w o r d s t h r e eu n d e rm i n i n g ，t r a n s i t i o nf r o mo p e np i tt ou n d e r g r o u n d m i n i n g ，b o u n d a r yp i l l a r , p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，g r o u n dm o v e m e n ta n d d e f o r m a t i o n C l a s s i f i c a t i o n 6 2 2 V I 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 学位论文版权使用授权书⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。V I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 研究背景、目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 - 2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 “三下”资源开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～2 1 ．2 ．2 露天转地下开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 “三下”资源露天转地下开采外部环境因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 “三下”开采区域概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．2 ．1 矿床类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．2 地质、构造特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．3 矿水文地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 “三下”资源露天转地下开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．3 ．1 开采范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1l 2 ．3 1 2 “三下”资源开采与露天开采、西翼地下开采的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．3 “三下”资源开采与地表建构筑物的空间位置关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．4 矿体赋存条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．3 ．5 资源储量与品位⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3 “三下”资源露天转地下开采安全境界顶柱厚度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．2 附加载荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 V I I 3 ．3 境界顶柱厚度理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．4 境界顶柱厚度数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．4 ．1 原岩境界顶柱厚度数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．4 ．2 复合境界项柱数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．5 露天转地下境界顶柱厚度确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 4 “三下”资源露天转地下开采方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．1 开采顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 中段高度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 首采中段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．4 采矿方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．5 采场结构参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．5 ．1 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．5 ．2 数值模拟分析及结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．6 采矿方法单体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．6 ．1 矿块布置和结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．6 ．2 采准切割⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．6 ．3 采掘工程量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．6 ．4 回采⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．6 ．5 充填⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．6 ．6 采场生产能力与分层作业循环图表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．6 ．7 主要技术经济指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 4 ．6 ．8 损失率和贫化率的确定及降低损失率和贫化率的措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 “三下”资源露天转地下开采诱发地表沉陷研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 5 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．5 1 5 ．2 地表沉陷预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l 5 ．2 ．1 概率积分法理论预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一51 5 ．2 ．2 数值模拟预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．3 地表建构筑物保护等级与安全评判标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．4 地表建构筑物安全性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．4 ．1 类似矿山重要建构筑物下开采实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 V I Ⅱ 5 ．4 ．2 “三下，，资源露天转地下开采地表建构筑物安全性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．5 地表岩移与变形控制技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．1 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 1 一、参加的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 二、发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 I X 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景、目的及意义 矿产资源是地球演化过程中经过漫长的地质作用形成的不可再生资源之 一，是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，即使在已进入知识经济时代 和信息社会的2 l 世纪的今天，7 0 ％以上的农业生产资料、8 5 ％左右的工业原料 和9 5 ％的能源都仍来自于矿产资测卜5 1 。目前我国正处于工业化中期的后半阶段， 社会经济步入了快速发展的轨道，对矿产资源的需求快速增长，矿产资源供需 之间的矛盾已成为制约国民经济可持续发展的瓶颈1 6 { J 。 然而，我国矿产资源经过5 0 多年的开发，不少矿山开采技术条件好、品位 高的矿产资源几乎消耗殆尽，不得不开始考虑回收“三下”资源、残矿资源、低品 位资源等难采资源【9 ．I0 1 。同时，随着浅部资源的逐渐枯竭和深部勘探程度的提高， 大部分露天开采的矿山也面临着闭坑，转向地下开采[ 1 1 - 1 2 1 。 新桥矿业有限公司 以下简称“新桥矿” 是铜陵化学工业集团有限公司 以 下简称“铜化集团” 重要的硫原料基地，铜化集团所属硫酸生产企业 包括上市 公司“六国化工” 所需硫原料完全依赖新桥矿提供。随着硫酸产能的扩大，新桥 矿几乎所有硫精矿均要内供，由此可见新桥矿在铜化集团中的重要基础地位。 由于矿山目前露天开采最低标高己降至．1 2 0 m 水平，剩余服务年限仅为4 ～5 a ， 如果因时间、技术等因素影响，露天开采不能及时平稳过渡到深部地下开采， 届时矿山产量将出现大幅度下降，这不仅会影响新桥矿本身经济效益和整个铜 化集团的可持续发展水平，而且也会因其在国内硫铁矿行业的重要地位，对华 东地区乃至全国硫铁矿市场也将产生较大影响。因此，新桥矿亟需开展露天转 地下开采工程建设。 新桥矿露天转地下开采资源作为矿山后续开采区，资源丰富可靠，加工、 选冶性能良好。但是相对于一般矿山露天转地下开采，新桥矿露天转地下开采 资源属于典型的“三下”资源，加之矿床水文地质条件复杂、含硫量高、矿体属于 缓倾斜矿体，使得矿床开采技术条件尤为复杂，制约因素多。因此，如何实现 露天转地下开采的平稳过渡，确保地表建构筑物和水体安全，最大限度地回收 矿产资源，实现矿山可持续发展，是新桥矿亟需解决的问题。 为此，新桥矿与中南大学古德生院士团队协商签订了区域多水源高硫缓 倾斜矿床露天转地下产能转换及生态环境重建综合技术研究技术开发合同， 协同攻关上述难题。本文研究内容为该研究课题的子题，其研究成果不仅可以 中南大学硕士学位论文l 绪论 保证整个研究课题的顺利进行，实现矿山露天转地下开采的不停产平稳过渡和 可持续发展，为类似矿山企业提供宝贵的经验而，而且可以推动我国采矿技术 发展和进步，具有显著的经济和社会效益。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 “三下”资源开采研究现状 所谓“三下”资源开采，是指建构筑物、路基 铁路、公路等 以及水体下赋 存矿产资源的开采。“三下”资源开采的研究始于1 9 世纪国外对教堂的保护的需 要，上世纪8 0 年代，随着矿产资源迫切开发的需要以及采矿技术的进步，“三下” 资源开采迅速发展【1 3 】。目前，国内外在煤矿“三下”开采方面取得了大量的研究 成果【1 4 ‘16 1 ，而我国1 9 8 5 年制订并于2 0 0 0 年修订的建筑物、水体、铁路及主 要井巷煤柱留设与压煤开采规程[ 1 7 ] ，是对建国以来“三下”采煤取得的实践经 验和理论成果的总结，标志着我国“三下”采煤技术日趋成熟。而对于金属与非金 属等非煤硬岩矿山，由于围岩特征差异大，矿体赋存条件远比沉积型类煤矿赋 存条件复杂，目前国内外在此领域尚未开展全面的技术研究。因此，在借鉴“三 下”采煤技术的研究成果的基础上，结合金属与非金属等非煤硬岩矿山的具体开 采环境，是最大限度地回收金属与非金属等非煤硬岩矿山“三下”资源，确保地表 建构物物、路基及水体的安全的一个有效途径。国内外在“三下”采煤方面取得的 主要研究成果有 1 建构筑物和路基下采煤技术研究现状 1 开采沉陷机理研究 所谓开采沉陷，是指矿石从地下采出后形成空区，破坏了矿岩原有的应力 平衡状态，引起地层移动、变形和塌陷的现象。开采沉陷通常会形成冒落带、 裂隙带和弯曲带三带㈣，如图1 ．1 所示。 强弱溺溺骚瀚弱溺弱弱溺溺弱溺溺溺潲非破坏带 弯曲带 裂隙带 塌陷带 矿层 图1 - 1 采空区对地表变形的影响 多年来，国内外在开采沉陷机理方面取得的主要研究成果有西哈教授提 2 中南大学硕士学位论文1 绪论 出了“自然斜面理论”【1 9 】，比利时人哥诺提出了“法线理论”【2 0 】，波兰学者克诺特、 李特维尼申和我国学者刘宝琛根据随机介质理论提出了概率积分法【2 1 1 ，前苏联 学者阿维尔申根据塑性理论提出了计算地表移动的剖面方程【2 2 1 ，李增琪根据直 积定理导出了计算岩层移动的表达公式【2 3 1 ，钱鸣高等人提出了岩层控制关键层 理论【2 4 。2 5 1 ，R e d d i s hDJ 和W h i t t a k e rBN 通过观测，总结出了地表下沉率系数 W ／m 与采动程度D ／H 的关系 图1 ．2 [ 2 6 - 2 7 J 。 王．0 O ．8 O ．6 O ．4 O ．2 0 OO ．2O ．4O ．6O ．81 ．O1 ．21 ．4 } 卜地表最大下沉量 m ；m - - 矿体实际开采厚度 m ；D 采区尺寸 m ；仔一开采深度 m 图1 - 2 地表下沉系数与采动程度的关系曲线 2 开采沉陷预测研究 为了确保地表建构物物、路基及水体的安全，国内外采矿工作学者在对开 采沉陷机理进行大量研究的基础上，提出了适合不同条件的开采沉陷预测方法， 主要有[ 2 8 - ”1 通过传统观测手段 如水准仪、经纬仪、全站仪等 或新技术观 测手段 如G P S 、D ．I n S A R 直接测量的实测研究方法；通过部分矿山实测资料 建立经验公式或通过部分假设建立数学函数，然后对类似地质条件的矿山开采 诱发地表沉陷进行预测的理论分析方法；通过室内相似材料模拟、离心模拟等 实验模拟的物理模拟分析方法；通过有限元分析软件 A n a s y s 、F l a c 、M i d a s 、 A d m a 等 、边界元分析软件 T w o d d 、T 、Ⅳo f s 等 、离散元分析软件 3 D e c 、 U d e c 、M d e c 等 或离散元与边界元耦合分析软件 H y d e b e 等 对矿山开采沉 陷进行预测的数值模拟分析方法以及2 0 世纪8 0 年代提出并发展起来的，涉及 计算机视觉、图像处理、计算机图形学、C A D 及人机交互技术等几个领域的可 视化 V i s u a l i z a t i o n 分析方法。 3 开采沉陷控制技术研究 目前控制开采沉陷的研究主要方向是采用恰当的采矿方法以减少矿体开采 后诱发的岩层及地表移动、变形与沉陷。目前常用的控制开采沉陷的采矿方法 中南大学硕士学位论文l 绪论 有充填开采法、部分开采方法、覆岩离层注浆法、协调开采方法【3 4 。38 1 。 4 安全措施 为了确保地表建构物物、路基及水体的安全，除采用合适的采矿方法等手 段控制开采后诱发的岩层及地表移动、变形与沉陷外，另一种有效的方法是采 取安全措施，国内外采矿工作学者对大量关于采动对建筑物损害防护进行试验 研究【3 9 40 | ，常用的安全措施有建筑物加固、抗采动变形建筑设计、建筑物调平。 2 水体下采煤技术研究现状 国内外在水体下采煤已有1 0 0 多年的历史了，英国、俄罗斯、加拿大与日本 等在水体下采煤方面取得了不少成功经验[ 4 H 2 1 ，英国于1 9 6 8 年制定的海下采煤 条例对采煤方法、开采厚度、覆盖岩层的厚度与组成进行了规定，俄罗斯也于 1 9 8 1 定制了水体采煤规程。我国在借鉴国内外水体下成功开采的经验的同时， 于1 9 8 5 年制订并于2 0 0 0 年修订的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程规定了不同条件下导水裂隙带形态的描述以及导水裂隙带的计 算公式，成功开采了淮河下、渤海湾水域下等地区的上亿吨煤炭资源。 1 ．2 ．2 露天转地下开采研究现状 相对于地下开采，露天开采有着受开采空间限制小、可采用大型机械设备， 劳动生产率约为地下开采的5 ～1 0 倍、开采成本约为地下开采的1 ／4 ～1 ／3 、矿石损 失率与贫化率约为3 - 5 ％、基建时间约为地下开采的一半、劳动条件好、作业安 全等优点，所以国内外广泛采用露天开采【4 3 1 。加之早年，我国勘探技术相对落 后，矿床勘探控制程度低 多为3 0 0 m 内 ，导致部分本来不应该采用露天开采 的矿床采用了露天开采的方式，所以露天转地下开采在我国更是广泛存在【4 4 郴] 。 迄今为止，国内外采矿学者对露天转地下开采进行了大量研究，取得的主 要研究成果有 1 安全境界顶柱的研究现状 境界顶柱是确保地下开采和露天开采的安全、露天边坡稳定性的至关重要 的屏障【46 | 。影响境界矿柱稳定性的因素很多，主要包括矿床的地质构造、矿岩 物理力学性质、回采顺序、采空区面积、矿柱宽度、地下水、露天与地下的开 采作业、爆破震动、露天重型设备等因素[ 47 1 。目前国内为广泛采用的安全境界 顶柱厚度的确定方法有[ 4 8 _ 5 3 】经验类比法，厚跨比法、荷载传递交汇线法、剪 切概念法、结构力学方法、破裂拱法、普氏低压力等理论分析方法，以及基于 A n s y s 、M i d a s 、A n d i a 、N a s t r a n 、S A P 等有限元软件分析的数值模拟方法。 4 中南大学硕士学位论文 1 绪论 2 露天转地下开拓系统的研究现状 目前，国内外广泛采用的露天转地下开拓系统有独立开拓系统，局部联 合开拓系统以及联合开拓系统三种开拓方式【5 4 ’5 州。 1 露天与地下独立开拓系统 此种开拓系统的地下部分开拓系统和露天部分开拓系统为两个不相互干扰 或相互干扰程度极小，地下部分主要开拓工程布置在露天坑外，露天与地下各 自使用相互独立的相互开拓运输系统。此种开拓系统适用于矿体埋藏较深的缓 倾斜至水平矿体，或因地质构造活动等原因导致矿体上下部分错开的急倾斜矿 体。也有部分矿山由于历史原因 如分期开采 或者设计时没有考虑或很少考 虑到未来地下开采工艺与露天开工艺的相互结合与利用。目前我国采用此类开 拓方式的矿山有冶山铁矿、白银厂铜矿等，此种系统的主要优点是露天开拓系 统和地下开拓系统相互独立，干扰小，但是此种系统基建工程量大，基建时间 长、建设投资费用高。 2 局部联合开拓系统 此种开拓系统的特点是地下开拓系统在局部利用露天开工程，或者露天开 采的部分矿石由地下开拓运输系统运出。此种开拓系统适用于露天开采深度较 大的倾斜至急倾斜矿床、露天开采后残留矿石 如挂帮矿或境界顶柱 从地下 开拓运输系统运出，例如凤凰山铁矿；此外，当露天开结束后，地下开采部分 储量较少，如从露天边坡上已有的开拓运输公路上掘进平硐或斜井开采挂帮矿， 采出矿石由露天已有的运输道路运出。此种开拓系统主要优点是可以利用已有 的露天工程，基建工程量少，基建时间短，基建投资费用少，但是在露天开采 末期与地下部分基建建设相互干扰。 3 露天转地下联合开拓系统 此种开拓系统的特点是露天开采和地下开采均采用统一的地下开拓运输系 统、排水系统。此种开拓系统适用于露天开采服务年限较短，露天开采基建剥 离量大、基建投资费用高的急倾斜矿体。此种开拓系统主要优点是露天开采初 期就可以利用地下开拓工程，而且露天过渡为地下开采是有充足的时间进行地 下部分的开拓工程建设和采矿实验研究。此种开拓系统在国内外运用广泛，如 阿巴岗斯基铁矿。 3 露天转地下采矿方法 充填法、空场法和崩落法三大类采矿方法在国内外的露天转地下开采中均 有运用，选取何种采矿方法主要取决于矿体开采技术条件、已有的露天边坡的 工程情况和地压等因素【5 6 。7 ] o 中南大学硕士学位论文 l 绪论 1 ．3 主要研究内容与技术路线 1 ．3 ．1 主要研究内容 本文主要研究内容包括 1 新桥矿“三下”资源露天转地下开采外部环境因素影响分析，主要分析 “三下”资源开采区域的水文地质特征、“三下”资源开采与矿山当前露天开采和西 翼地下开